沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙特征和孔隙結(jié)構(gòu)

張金晴，李賢慶，張博翔，張學(xué)慶，楊經(jīng)緯，于振鋒

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；3.山西燃?xì)饧瘓F(tuán)藍(lán)焰煤層氣工程研究有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006)

0 引 言

北美頁(yè)巖氣的成功商業(yè)化開(kāi)發(fā)，引發(fā)全球頁(yè)巖氣革命，使得頁(yè)巖氣研究成為能源領(lǐng)域的熱點(diǎn)[1-3]。目前我國(guó)已成為世界第二大頁(yè)巖氣生產(chǎn)國(guó)，頁(yè)巖氣是我國(guó)天然氣工業(yè)發(fā)展的新動(dòng)力[4]。作為一種重要的非常規(guī)天然氣資源，加快頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)、勘探與開(kāi)發(fā)利用，對(duì)于緩解巨大的能源壓力及保障國(guó)家能源安全具有現(xiàn)實(shí)意義[5]。

經(jīng)過(guò)十多年勘探實(shí)踐，我國(guó)已在中—上揚(yáng)子板塊的四川盆地及周緣上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁(yè)巖地層的勘探中取得重大突破，探明了涪陵、長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)、昭通等多個(gè)千億立方米儲(chǔ)量的頁(yè)巖氣田[6-7]。海相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層研究相對(duì)成熟，形成了以有機(jī)碳含量、地球化學(xué)參數(shù)為核心，掃描電鏡、N2和CO2氣體吸附—脫附、高壓壓汞、小角散射和核磁共振等實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的儲(chǔ)層研究方法[8-10]。然而，海相頁(yè)巖氣地質(zhì)勘探理論及開(kāi)發(fā)技術(shù)并不完全適用于煤系頁(yè)巖氣，當(dāng)前煤系頁(yè)巖氣勘探評(píng)價(jià)與開(kāi)發(fā)還處于探索階段。我國(guó)煤系頁(yè)巖氣資源量巨大，主要圍繞鄂爾多斯盆地石炭-二疊系、沁水盆地石炭-二疊系、四川盆地上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M等的煤系地層，展開(kāi)了煤系頁(yè)巖氣地質(zhì)研究，加快了對(duì)煤系頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征、有利區(qū)評(píng)價(jià)與優(yōu)選的研究進(jìn)程[11-17]。煤系頁(yè)巖多與煤層及致密砂巖互層，往往具有優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖厚度小、連續(xù)性差、含氣量變化大、脆性一般等頁(yè)巖氣富集地質(zhì)特征[18]。隨著煤系頁(yè)巖氣地質(zhì)研究及資源勘探開(kāi)發(fā)工作的不斷深入，諸多研究[19-24]表明，煤系頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)不但影響氣體的賦存狀態(tài)，而且也影響煤系頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集性能，正確認(rèn)識(shí)煤系頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙特征可以為煤系頁(yè)巖含氣性評(píng)價(jià)和勘探開(kāi)發(fā)提供重要的參考依據(jù)。

沁水盆地上古生界海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖較為發(fā)育，其頁(yè)巖氣資源潛力及勘探開(kāi)發(fā)前景受到關(guān)注，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)該盆地石炭-二疊系煤系頁(yè)巖氣的儲(chǔ)層特征和孔隙結(jié)構(gòu)已有一定研究[25-31]。CHENG等[25]分析了沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊煤系頁(yè)巖不同微米孔隙中孔隙水的分布與賦存階段差異；閆高原等[26]在高壓壓汞實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上利用SIERPINSKI模型對(duì)煤系頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分形處理；李陽(yáng)陽(yáng)等[27]、田忠斌等[28]、袁余洋等[29]、曹磊等[30]評(píng)價(jià)了沁水盆地煤系頁(yè)巖孔隙微觀特征和孔隙結(jié)構(gòu)及其影響因素；馬如英等[31]對(duì)沁水盆地海陸過(guò)渡相頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀孔隙特征及含氣性進(jìn)行了研究，認(rèn)為孔隙特征和孔隙結(jié)構(gòu)影響著頁(yè)巖氣的儲(chǔ)存和富集。但是，針對(duì)沁水盆地中部的武鄉(xiāng)區(qū)塊，開(kāi)展海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙特征與孔隙結(jié)構(gòu)研究尚少。因此，筆者以沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊三口井的巖心樣品為基礎(chǔ)，聯(lián)合采用掃描電鏡、高壓壓汞法、低溫N2和 CO2氣體吸附法、微米CT掃描、核磁共振等實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的孔隙微觀特征和孔隙結(jié)構(gòu)及其連通性進(jìn)行研究，以期為沁水盆地煤系頁(yè)巖氣儲(chǔ)層性質(zhì)評(píng)價(jià)與成藏有利區(qū)分析提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

沁水盆地位于華北地臺(tái)中部的山西省東南部(圖1(a))，是一近南北向的大型復(fù)式向斜構(gòu)造盆地[32-33]，盆地四周皆為隆起，北鄰五臺(tái)山隆起，南靠中條山隆起，東接太行山隆起，西部為呂梁山隆起和霍山隆起[34]。晚古生代以前，沁水盆地整體處于構(gòu)造穩(wěn)定階段，之后受印支運(yùn)動(dòng)的影響，盆地開(kāi)始形成。燕山運(yùn)動(dòng)使盆地受到強(qiáng)烈的擠壓作用，并初步形成向斜構(gòu)造[34]。新生代以來(lái)，在喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的影響下，沁水盆地經(jīng)歷了多期構(gòu)造拉張、擠壓作用，最終形成了現(xiàn)今的構(gòu)造格局[35]。沁水盆地晚石炭-早二疊世處于海陸過(guò)渡相環(huán)境，以三角洲、潮坪、碳酸鹽臺(tái)地沉積為主，發(fā)育多套海陸過(guò)渡相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，由下至上依次為本溪組、太原組、山西組和石盒子組[36]。

圖1 沁水盆地區(qū)域構(gòu)造(a)、武鄉(xiāng)區(qū)塊取樣井分布(b)與研究區(qū)地層柱狀圖(c)Fig.1 Regional structure of Qinshui Basin(a), well location map of the Wuxiang Block(b), and stratigraphic histogram of the study area(c)

武鄉(xiāng)區(qū)塊位于沁水盆地中南部沁水復(fù)合斜坡中段東側(cè)，研究區(qū)斷裂較為發(fā)育，斷層走向以NE向和NNE向?yàn)橹?，上古生界含煤地層主要沉積于上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組(圖1(a)、 (b))。太原組主要發(fā)育泥頁(yè)巖、砂巖、石灰?guī)r和煤層組成的障壁海岸和碳酸鹽巖臺(tái)地體系。山西組以河流-三角洲沼澤沉積為主，含砂巖和煤層，還有3～5套厚度為30～40 m的泥頁(yè)巖。山西組泥巖厚度為12～82 m，平均為36 m，太原組泥巖厚度為46～122 m，平均79 m[37]。

2 樣品與實(shí)驗(yàn)方法

本文研究樣品采自沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊W18、W27、W28三口鉆井，選取上古生界石炭-二疊系煤系地層的山西組和太原組黑色、灰黑色泥頁(yè)巖及炭質(zhì)泥巖12塊，取樣井位置見(jiàn)圖1(b)，均為煤系泥頁(yè)巖和炭質(zhì)泥巖的井下巖心樣品，其埋深范圍為1 502.3～1 900.6 m，自然伽馬曲線為鋸齒狀，主要集中在98～155API之間，電阻率高低交錯(cuò)，密度主要分布在1.86～2.75 g/cm3之間，聲波時(shí)差分布在215～285 μs/m之間，巖性觀察為黑色粉砂質(zhì)泥巖、灰黑色泥巖、炭質(zhì)泥巖、黑色泥巖、灰黑色粉砂質(zhì)泥巖[37-38](圖1(c))。

對(duì)上述采集的沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊山西組和太原組煤系泥頁(yè)巖樣品，進(jìn)行有機(jī)碳、巖石熱解、X射線衍射(XRD)、普通掃描電鏡(SEM)、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)、微米CT掃描、高壓壓汞、低溫N2吸附、低溫CO2吸附和核磁共振(NMR)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析測(cè)試，均是按照國(guó)家及行業(yè)推薦的標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)規(guī)范完成的。

使用LECOCS-230型碳硫分析儀，依照《沉積巖中總有機(jī)碳的測(cè)定》(GB/T19145-2003)進(jìn)行有機(jī)碳含量(TOC)測(cè)定；使用OGE-Ⅱ型油氣評(píng)價(jià)儀，依照《巖石熱解分析》(GB/T18602-2012)進(jìn)行Rock-eval熱解分析；使用RIGAK-D/Max2500PC衍射分析儀，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《沉積巖中黏土礦物和常見(jiàn)非黏土礦物X射線衍射分析方法》(SY/T5163-2010)進(jìn)行X射線衍射實(shí)驗(yàn)；使用Quanta 200F型掃描電子顯微鏡，按照石油與天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY/T 5162-2014)進(jìn)行FE-SEM實(shí)驗(yàn)；使用Pore Master GT60儀，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T211650.3-2011)進(jìn)行高壓壓汞實(shí)驗(yàn)，宏孔孔容應(yīng)用Washburn方程計(jì)算獲得；使用Quantachrome NOVA4200e比表面積分析儀，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《壓汞法和氣體吸附法測(cè)定固體材料孔徑分布和孔隙度》(GB/T21650.3-2011)和《氣體吸附BET法測(cè)定固態(tài)物質(zhì)比表面積》(GB/T19587-2017)進(jìn)行低溫N2和CO2吸附-脫附實(shí)驗(yàn)；N2吸附-脫附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用于表征介孔的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，介孔的孔容和比表面積分析分別依據(jù)BJH(Barrett-Joyner-Halenda)和BET(Brunauer-Emmett-Teller)模型進(jìn)行；CO2吸附-脫附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用于表征微孔的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，微孔的孔容和比表面積依據(jù)密度泛函理論(DFT)模型進(jìn)行分析。使用Nanovoxe13502E型3D計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)進(jìn)行微米CT實(shí)驗(yàn)，采用蘇州紐邁公司生產(chǎn)的Meso MR23/12-060H-I型核磁共振儀進(jìn)行核磁共振實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 礦物組成和有機(jī)質(zhì)特征

沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊W18、W27、W28三口井煤系頁(yè)巖樣品的基本地球化學(xué)特征如表1所示。可以看出，沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁(yè)巖樣品中礦物含量主要是以石英、黏土礦物為主。在全巖礦物組成中，黏土礦物、石英、碳酸鹽礦物以及其它礦物含量分別占22.0%～54.2%(平均為35.0%)、34.2%～63.0%(平均為53.5%)、0.0～23.1%(平均為5.0%)、2.1%～11.1%(平均為6.5%)。

由表1可見(jiàn)，沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁(yè)巖樣品有機(jī)碳(TOC)含量分布在0.29%～8.36%之間(平均為3.66%)；表征煤系頁(yè)巖成熟度的鏡質(zhì)體反射率Ro分布于2.33%～2.63%之間(平均為2.49%)。因此，沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度總體較高，熱演化程度處于過(guò)成熟階段，有利于生成頁(yè)巖氣。

3.2 孔隙微觀特征

頁(yè)巖孔隙是頁(yè)巖氣藏中氣體的儲(chǔ)存空間[39-40]?？紫兜奈⒂^特征很大程度上決定著頁(yè)巖氣儲(chǔ)集性能[41-42]。本文采用自然斷面-掃描電鏡、氬離子拋光-場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，對(duì)沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁(yè)巖樣品進(jìn)行了詳細(xì)的鏡下觀察分析。掃描電鏡分析表明，沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁(yè)巖樣品中發(fā)育多種類型的微觀孔隙，孔隙形態(tài)常呈不規(guī)則狀、棱角狀、橢圓形及狹縫形，常見(jiàn)發(fā)育于礦物基質(zhì)的無(wú)機(jī)孔隙，如粒間孔(圖2(d))和粒內(nèi)孔(圖2(b)、 (d))，部分樣品可以見(jiàn)到黃鐵礦晶間孔(圖2(b))。在氬離子拋光-場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下、自然斷面-掃描電鏡下，均可見(jiàn)較多的微裂縫(圖2(a)、 (e)、 (g)、 (h))，主要發(fā)育于礦物基質(zhì)中，易受壓實(shí)作用、溶解作用和礦物相變等成巖作用控制。頁(yè)巖樣品中可以見(jiàn)到形態(tài)各異的微裂縫，主要為外力作用下形成的外生裂隙及顆粒間裂隙。有機(jī)質(zhì)孔是指發(fā)育于頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的一種孔隙，形態(tài)多為圓形、橢圓形，在沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁(yè)巖樣品中偶見(jiàn)(圖2(c)、 (f))，總體不發(fā)育，與川南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖[24]、皖南地區(qū)古生界頁(yè)巖相比[43]，有機(jī)質(zhì)孔數(shù)量明顯低。上述武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁(yè)巖孔隙特征，有別于田忠斌等[28]對(duì)沁水盆地中東部海陸過(guò)渡相頁(yè)巖中孔隙比較發(fā)育片狀黏土礦物粒間孔及有機(jī)質(zhì)孔的認(rèn)識(shí)。

表1 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁(yè)巖樣品的基本地球化學(xué)特征

不同類型孔隙在頁(yè)巖中所占比例不同[15-24]，利用網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)法對(duì)沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁(yè)巖孔隙類型進(jìn)行掃描電鏡下孔隙半定量分析。從表2和圖3中可以看出，粒間孔與粒內(nèi)孔占據(jù)了研究區(qū)煤系頁(yè)巖孔隙的主體部分，其中粒間孔所占比例為49%～67%，均值為57%，粒內(nèi)孔所占比例為13%～41%，均值為27%，微裂縫所占比例為7%～20%，均值為14%。沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁(yè)巖粒內(nèi)孔孔徑介于50～730 nm之間，粒間孔孔徑介于50～630 nm之間，微裂縫寬度為30～510 nm，有機(jī)質(zhì)孔孔徑介于30～370 nm之間。總體而言，沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁(yè)巖樣品發(fā)育大量的粒間孔和粒內(nèi)孔，較多的微裂縫和少量的有機(jī)質(zhì)孔，為海陸過(guò)渡相煤系頁(yè)巖氣的賦存提供了儲(chǔ)集空間。

3.3 孔隙結(jié)構(gòu)特征

3.3.1 孔容和比表面積分布特征

依據(jù)國(guó)際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)對(duì)孔隙的分類標(biāo)準(zhǔn)[42]，聯(lián)合運(yùn)用高壓壓汞、低溫N2和CO2吸附實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)頁(yè)巖樣品中不同孔徑的孔隙(微孔<2 nm、介孔2～50 nm、宏孔>50 nm)進(jìn)行定量表征[43-45]。由表3可知，沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁(yè)巖樣品孔隙的總孔容和總比表面積分別為0.021 9～0.073 5 mL/g、11.94～46.83 m2/g，平均各為0.039 9 mL/g、29.16 m2/g，微孔、介孔和宏孔各自所占的孔容和比表面積平均值分別為0.007 2 mL/g、0.022 1 mL/g、0.010 6 mL/g以及15.13 m2/g、13.35 m2/g、0.68 m2/g；煤系頁(yè)巖樣品的孔徑分布在24.22～63.13 nm范圍，平均值為35.96 nm。再結(jié)合微孔、介孔和宏孔在總孔容和總比表面積中所占的比例(圖4)，研究區(qū)介孔(2～50 nm)是對(duì)孔容和比表面積的主要貢獻(xiàn)者，微孔(<2 nm)占據(jù)的孔容雖然較少，但是卻提供了較多的比表面積，對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)集起到重要作用，而宏孔(>50 nm)孔容雖然較大，但是其對(duì)比表面積的貢獻(xiàn)很少。綜合來(lái)講，研究區(qū)上古生界煤系頁(yè)巖中介孔和微孔是孔容和比表面積的主要貢獻(xiàn)者。沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁(yè)巖的孔容和比表面積分布特征與田忠斌等[28]對(duì)沁水盆地中東部海陸過(guò)渡相頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征有所差異，即有機(jī)質(zhì)納米孔以微孔為主，有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育程度控制著孔容與比表面積的大小。

圖2 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁(yè)巖樣品孔隙特征掃描電鏡圖像(a)-(d)為氬離子拋光-場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下圖像；(e)-(h)為自然斷面-掃描電鏡下圖像Fig.2 Image analysis of scanning electron microscopy from coal-bearing shale samples in the Wuxiang Block, Qinshui Basin(a) W28-07，微裂縫，1 748.5 m；(b) W18-08，黃鐵礦晶間孔，1 614.4 m；(c) W28-07，有機(jī)質(zhì)孔，1 748.5 m；(d) W28-07，粒間孔和粒內(nèi)孔，1 748.5 m；(e) W18-11，微裂縫，1 652.7 m；(f) W28-02，有機(jī)質(zhì)孔，1 738.2 m；(g)W18-11，微裂縫，1 652.7 m；(h) W28-19，微裂縫，1 900.6 m

表2 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁(yè)巖中不同類型孔隙發(fā)育程度

圖3 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁(yè)巖中不同孔隙所占比例Fig.3 Proportions of different pores of coal-bearing shale in the Wuxiang Block, Qinshui Basin

表3 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁(yè)巖樣品孔隙結(jié)構(gòu)特征

圖4 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁(yè)巖孔隙孔容和比表面積分布圖Fig.4 Distribution of pore volume and specific area of the coal-bearing shale in the Wuxiang Block, Qinshui Basin

3.3.2 孔徑分布特征

在高壓壓汞實(shí)驗(yàn)中，采用Warshburn方程可以獲得宏孔孔徑分布特征。圖5中隨著宏孔的孔徑在不同區(qū)間內(nèi)的變化，其孔容的變化曲線也存在差別，在10～100 nm的孔徑范圍中，宏孔孔容隨著孔徑的減小而減小，在10～20 nm孔徑變化率更快，100～10 000 nm表現(xiàn)得更為平緩。

圖5 不同孔徑對(duì)宏孔孔容變化率分布表征(高壓壓汞法) Fig.5 Characterization of macropore volume change rate distribution with different pore diameters (high pressure mercury intrusion method)

圖6 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁(yè)巖樣品N2吸附-脫附曲線Fig.6 N2 adsorption-desorption isotherms of the coal-bearing shale samples in the Wuxiang Block, Qinshui Basin

介孔孔隙結(jié)構(gòu)的分布特征通?？梢杂肗2吸附-脫附曲線來(lái)表征(圖6)。根據(jù)IUPAC[42]中對(duì)回滯環(huán)的分類，結(jié)合研究區(qū)煤系頁(yè)巖樣品的N2吸附-脫附曲線形態(tài)可以將其分為2種類型。沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊山西組煤系頁(yè)巖樣品中W18-3和W18-11曲線中的滯后環(huán)是介于H2和H3型形態(tài)之間，說(shuō)明山西組煤系頁(yè)巖孔形態(tài)多為楔形-狹縫型和墨水瓶型；太原組煤系頁(yè)巖樣品的曲線不僅吸附量低于山西組，且在相對(duì)壓力0～0.8范圍內(nèi)幾乎呈一條水平線，只有在接近1.0時(shí)吸附量才迅速增加，說(shuō)明太原組煤系頁(yè)巖樣品中的微孔和介孔也較為發(fā)育，且存在一定量的宏孔。圖7顯示了介孔孔容和比表面積隨孔徑的變化率。不管是孔容亦或是比表面積均在孔徑為2～50 nm范圍內(nèi)形成單峰，超過(guò)50 nm后，孔容與比表面積均處于低值，所以2～50 nm范圍內(nèi)的介孔是孔容和比表面積的主要貢獻(xiàn)者。

利用CO2氣體吸附實(shí)驗(yàn)對(duì)沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁(yè)巖微孔進(jìn)行定量表征，在IUPAC[42]定義的多種等溫吸附曲線中，研究區(qū)上古生界煤系頁(yè)巖樣品的CO2吸附曲線(圖8)類似于其中的I型等溫吸附曲線。當(dāng)相對(duì)壓力小于0.01時(shí)，不管是山西組煤系頁(yè)巖，還是太原組煤系頁(yè)巖，樣品的CO2吸附曲線斜率都較大，說(shuō)明CO2吸附量的增加趨勢(shì)在這個(gè)范圍是逐漸加快的。而當(dāng)相對(duì)壓力大于0.01時(shí)，CO2吸附量增加相對(duì)變緩。圖9中隨著微孔孔徑變化，其孔容和比表面積也會(huì)出現(xiàn)不同程度的變化，不管是孔容或是比表面積為0.45～0.60 nm和0.80～0.85 nm這兩個(gè)區(qū)間內(nèi)，隨孔徑的變化率均達(dá)到峰值，說(shuō)明這兩個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)的孔隙為微孔提供了主要的孔容和比表面積。

圖7 不同孔徑對(duì)孔容和比表面積的變化率分布表征(N2吸附法)Fig.7 Characterization of the change rate distribution of pore volume and specific surface area with different pore diameters (N2 adsorption method)

圖8 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁(yè)巖樣品CO2吸附曲線Fig.8 CO2 adsorption curve of the coal-bearing shale samples in the Wuxiang Block, Qinshui Basin

圖9 不同孔徑對(duì)孔容和比表面積的變化率分布表征(CO2吸附法)Fig.9 Characterization of the change rate distribution of pore volume and specific surface area with different pore diameters (CO2 adsorption method)

基于上述的高壓壓汞、低溫N2和CO2吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁(yè)巖中孔隙的全孔徑分布進(jìn)行綜合表征。由于孔徑范圍跨度較大，不同范圍內(nèi)的孔徑分布特征也并不相同[21,45]，并與北美Anadarko盆地Woodford海相頁(yè)巖、Fort Worth盆地Barnett海相頁(yè)巖和Appalachian盆地Marcellus海相頁(yè)巖[39,41]進(jìn)行比較。由圖10可知，沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁(yè)巖樣品中孔隙的全孔徑分布有三個(gè)峰值，分別位于0.65～0.75 nm、1.15～1.25 nm和2～50 nm區(qū)間內(nèi)，前兩個(gè)區(qū)間表征的是微孔孔徑，最后一個(gè)區(qū)間表征的是介孔孔徑，說(shuō)明微孔與介孔為納米孔隙的主要貢獻(xiàn)者。研究區(qū)上古生界煤系頁(yè)巖孔隙全孔徑分布中微孔、介孔孔徑峰值均略高于沁水盆地陽(yáng)泉區(qū)塊太原組煤系頁(yè)巖[27]。宏孔孔容主要分布在73～150 nm范圍內(nèi)。北美Barnett海相頁(yè)巖和Marcellus海相頁(yè)巖孔隙的平均孔徑明顯大于研究區(qū)煤系頁(yè)巖孔隙的平均孔徑，分析原因可能是由于頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型和熱演化程度存在差異所致。

圖10 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁(yè)巖全孔徑分布及其與北美頁(yè)巖比較Fig.10 Full pore size distribution of the coal-bearing shale in the Wuxiang Block, Qinshui Basin and its comparison with North American shale

3.3.3 孔隙連通性

圖11 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁(yè)巖孔喉半徑分布特征及孔隙配位數(shù)Fig.11 Distribution characteristics of pore roar radius and pore coordination number of coal-bearing shale in the Wuxiang Block, Qinshui Basin

通過(guò)微米CT掃描實(shí)驗(yàn)對(duì)頁(yè)巖孔隙連通性進(jìn)行表征，其中孔喉在孔隙連通性中起到重要作用。如圖11所示，沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界太原組和山西組煤系頁(yè)巖樣品中孔隙喉道半徑均以0.5～1.5 μm的小喉道為主。其中山西組煤系頁(yè)巖樣品配位數(shù)主要為4～6，即大多數(shù)孔隙連接4～6個(gè)喉道；太原組煤系頁(yè)巖樣品配位數(shù)主要為2～4，即大多數(shù)孔隙連接2～4個(gè)喉道。通常用頁(yè)巖樣品中相互連通的總孔容除以所有孔隙的孔容之和[44]，便可以求出該頁(yè)巖樣品的孔隙連通率。沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊山西組和太原組煤系頁(yè)巖樣品的孔隙連通率分別是61.20%、59.41%，對(duì)應(yīng)的孔容比例之和分別是82.82%、75.30%，山西組和太原組煤系頁(yè)巖樣品中平均配位數(shù)大于1的高配位數(shù)孔隙分布在大于5.5 μm的半徑區(qū)間內(nèi)。不難看出，山西組煤系頁(yè)巖樣品的孔隙連通性要好于太原組煤系頁(yè)巖樣品，頁(yè)巖樣品中的高配位數(shù)孔隙數(shù)量和所占孔容越多，孔隙連通性就越好，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。

通過(guò)核磁共振實(shí)驗(yàn)，對(duì)沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊山西組和太原組煤系頁(yè)巖樣品也進(jìn)行了孔隙分析(圖12)。結(jié)合T2譜形態(tài)和樣品的孔隙比例，山西組煤系頁(yè)巖樣品T2譜的歸一化曲線位于圖12中右側(cè)，其微孔孔隙比例為21.32%，介孔孔隙比例為50.75%，宏孔孔隙比例為27.93%，指示具有相對(duì)較好的連通性和儲(chǔ)集空間，代表孔隙結(jié)構(gòu)較好；太原組煤系頁(yè)巖樣品的歸一化曲線位于圖12中左側(cè)，微孔和介孔比例較高，宏孔比例較低，指示具有相對(duì)較差的連通性和儲(chǔ)集空間，代表孔隙結(jié)構(gòu)稍差。

圖12 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁(yè)巖樣品T2譜歸一化累積曲線Fig.12 Normalized accumulation curve of T2 spectrum of coal-bearing shale in the Wuxiang Block, Qinshui Basin

微米CT三維重構(gòu)后每一種顏色代表這部分的孔隙是相互連通的(圖13)，可以看出沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊山西組煤系頁(yè)巖樣品喉道比太原組煤系頁(yè)巖樣品多，表明該區(qū)山西組煤系頁(yè)巖樣品孔隙連通性比太原組煤系頁(yè)巖要好，這與核磁共振的T2譜歸一化累積曲線表征相一致。因此，基于微米CT掃描實(shí)驗(yàn)與核磁共振實(shí)驗(yàn)聯(lián)合表征，研究區(qū)山西組煤系頁(yè)巖孔隙連通性比太原組煤系頁(yè)巖要好。

圖13 沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊山西組和太原組煤系頁(yè)巖樣品三維重構(gòu)喉道分布圖Fig.13 Distribution map of 3D reconstruction of coal-bearing shale samples from Shanxi Formation and Taiyuan Formation in the Wuxiang Block, Qinshui Basin

4 結(jié) 論

(1)沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊海陸過(guò)渡相上古生界煤系頁(yè)巖儲(chǔ)層發(fā)育多種類型微觀孔隙，常見(jiàn)粒間孔、粒內(nèi)孔，微裂縫較多，有機(jī)質(zhì)孔總體不發(fā)育，孔隙形態(tài)多呈不規(guī)則狀、棱角狀、橢圓形及狹縫形，為煤系頁(yè)巖氣賦存與儲(chǔ)集提供了儲(chǔ)集空間。

(2)沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁(yè)巖樣品總孔容分布在0.021 9～0.073 5 mL/g之間，平均值為0.039 9 mL/g；總比表面積分布在11.94～46.83 m2/g之間，平均為29.16 m2/g；其中介孔占據(jù)了主要的孔容，微孔和介孔占據(jù)了主要的比表面積，表明介孔和微孔是該區(qū)煤系頁(yè)巖氣儲(chǔ)集的主要載體。

(3)沁水盆地武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界煤系頁(yè)巖中孔徑為0.65～0.75 nm、1.15～1.25 nm和73～150 nm的納米孔隙占據(jù)了大部分孔容；山西組煤系頁(yè)巖樣品的孔隙連通性要好于太原組煤系頁(yè)巖，且高配位數(shù)孔隙體系所占總孔容的一半以上，有利于提高儲(chǔ)層孔隙的連通性。